Tranzistorsko preklapljanje za releje, motorje in LED diode

Tranzistor lahko deluje kot elektronsko stikalo za krmiljenje toka v vezju. Uporablja majhen signal za vklop ali izklop večjih obremenitev, zaradi česar je uporaben v številnih elektronskih sistemih. Ta članek pojasnjuje, kako se tranzistorji BJT in MOSFET uporabljajo pri preklapljanju, vključno z nizko in visoko stransko krmiljenjem, osnovnimi in vratnimi upori, induktivno zaščito obremenitve in vmesnikom mikrokrmilnika.

Pregled preklapljanja tranzistorjev

Tranzistor je polprevodniška naprava, ki lahko deluje kot elektronsko stikalo za nadzor pretoka toka v vezju. Za razliko od mehanskih stikal, ki fizično odpirajo ali zapirajo pot, tranzistor izvaja preklapljanje elektronsko z uporabo krmilnega signala, ki se uporablja za njegovo bazo (BJT) ali vrata (FET). V preklopnih aplikacijah tranzistor deluje samo v dveh glavnih regijah: v območju izklopa (stanje OFF), kjer ni pretoka toka in se tranzistor obnaša kot odprto stikalo, in v območju nasičenosti (stanje ON), kjer največji tok teče z minimalnim padcem napetosti čez njega, ki deluje kot zaprto stikalo.

Preklopna stanja tranzistorjev

Tranzistorske aplikacije v stikalnih vezjih

Krmiljenje releja in solenoida

Tranzistorji poganjajo releje in solenoide z zagotavljanjem zahtevanega toka tuljave, ki ga mikrokrmilniki ne morejo neposredno dobavljati. Povratna dioda se uporablja za zaščito pred napetostnimi konicami.

Preklapljanje LED in svetilk

Tranzistorji preklapljajo LED in majhne svetilke z nizkimi krmilnimi signali, hkrati pa ščitijo krmilno vezje pred presežnim tokom. Uporabljajo se v indikatorjih, zaslonih in nadzoru osvetlitve.

Gonilniki motorjev

Tranzistorji poganjajo enosmerne motorje tako, da delujejo kot visokotokovna stikala. Power BJT ali MOSFET-ji se uporabljajo za zanesljiv nadzor v robotiki, ventilatorjih, črpalkah in sistemih za avtomatizacijo.

Vezja za upravljanje porabe energije

Tranzistorji se uporabljajo pri elektronskem preklapljanju, zaščiti in regulaciji moči. Pojavljajo se v polnilnikih baterij, enosmernih pretvornikih in avtomatskih vezjih za nadzor moči.

Vmesniki mikrokrmilnika

Tranzistorji povezujejo mikrokrmilnike z visoko močnimi obremenitvami. Ojačujejo šibke logične signale in omogočajo nadzor relejev, motorjev, brenčalnikov in visokotokovnih LED.

NPN tranzistor kot stikalo

Tranzistor NPN se lahko uporablja kot elektronsko stikalo za krmiljenje obremenitev, kot so LED, releji in majhni motorji z uporabo signala nizke porabe iz naprav, kot so senzorji ali mikrokrmilniki. Ko tranzistor deluje kot stikalo, deluje v dveh regijah: izklop (stanje OFF) in nasičenost (stanje ON). V območju prekinitve ne teče osnovni tok, tranzistor pa blokira tok na strani kolektorja, tako da obremenitev ostane izklopljena. V območju nasičenosti teče dovolj osnovnega toka, da se tranzistor popolnoma vklopi, kar omogoča, da tok prehaja od kolektorja do oddajnika in napaja obremenitev.

Za uporabo tranzistorja NPN kot stikala je potreben osnovni upor (RB), ki omejuje tok, ki gre v bazo. Osnovni tok se izračuna z uporabo:

kjer je IC tok skozi obremenitev, βforced pa je zmanjšana vrednost ojačitve, ki se uporablja za varno preklapljanje β/10. Osnovni upor se nato izračuna z uporabo:

kjer je VIN krmilna napetost in VBE napetost baznega oddajnika (približno 0,7 V za silicijeve tranzistorje). Te formule pomagajo zagotoviti, da tranzistor prejme dovolj osnovnega toka za pravilno preklop, ne da bi se poškodoval.

PNP tranzistor kot stikalo

Tranzistor PNP se lahko uporablja tudi kot stikalo, vendar se uporablja pri visokem stranskem preklapljanju, kjer je obremenitev priključena na zemljo in tranzistor nadzoruje povezavo s pozitivno napajalno napetostjo. V tej konfiguraciji je oddajnik tranzistorja PNP priključen na + VCC, kolektor je priključen na obremenitev in obremenitev se poveže z zemljo. Tranzistor se vklopi, ko je baza potegnjena nizko (pod napetostjo oddajnika), in se izklopi, ko je baza potegnjena visoko (blizu + VCC). Zaradi tega so tranzistorji PNP primerni za stikalna vezja, kjer mora biti obremenitev priključena neposredno na pozitivno tirnico, na primer v avtomobilskih ožičenjih in sistemih za distribucijo električne energije.

Za omejitev toka, ki teče v bazo, je potreben osnovni upor (RB). Osnovni tok se izračuna z uporabo:

kjer je IC kolektorski tok in βforced se vzame kot ena desetina tipičnega ojačitve tranzistorja za zanesljivo preklapljanje. Vrednost osnovnega upora se nato izračuna z uporabo

V tranzistorjih PNP je VBE približno -0,7 V, ko je pristranski naprej. Krmilni signal je treba potegniti dovolj nizko, da se pristransko usmeri stičišče baza-oddajnik in vklopi tranzistor.

Osnovni upor pri preklapljanju BJT

Pri uporabi tranzistorja BJT kot stikala je potreben osnovni upor (RB) za nadzor toka, ki gre v osnovni terminal. Upor ščiti tranzistor in krmilni vir, kot je zatič mikrokrmilnika, pred prevelikim tokom. Brez tega upora bi lahko stičišče baza-oddajnik črpalo prekomerni tok in poškodovalo tranzistor. Osnovni upor zagotavlja tudi, da tranzistor pravilno preklaplja med stanji OFF in ON.

Za popoln vklop tranzistorja (način nasičenosti) je treba zagotoviti dovolj osnovnega toka. Osnovni tok IB se izračuna z uporabo IC toka kolektorja in varne vrednosti ojačitve, imenovane prisilna beta:

Namesto normalnega ojačitve tranzistorja (beta) se za varnost uporablja nižja vrednost, imenovana prisilna beta:

Po izračunu osnovnega toka se vrednost osnovnega upora ugotovi z uporabo Ohmovega zakona:

Tukaj je VIN krmilna napetost, VBE pa napetost baznega oddajnika, približno 0,7 V za silicijeve BJT.

Preklapljanje MOSFET v krmiljenju na logični ravni

MOSFET-i se uporabljajo kot elektronska stikala v sodobnih vezjih, ker ponujajo večjo učinkovitost in manjšo izgubo moči v primerjavi z BJT. MOSFET deluje tako, da na svoj terminal vrata uporabi napetost, ki nadzoruje pretok toka med odtokom in virom. Za razliko od BJT-jev, ki zahtevajo neprekinjen osnovni tok, so MOSFET-i napajani z napetostjo in skoraj ne črpajo toka na vratih, zaradi česar so primerni za sisteme, ki temeljijo na baterijah in mikrokrmilnikih.

MOSFET-i so zaželeni za preklopne aplikacije, ker podpirajo hitrejše preklopne hitrosti, višjo ravnanje s tokom in zelo nizko upornost pri vklopu RDS (vklopljeno), kar zmanjšuje segrevanje in izgubo energije. Običajno se uporabljajo v gonilnikih motorjev, LED trakovi, releji, pretvorniki moči, in sistemi za avtomatizacijo. MOSFET-i na logični ravni so posebej zasnovani za popoln vklop pri nizkih napetostih vrat, 5V ali 3.3V, zaradi česar so idealni za neposredno povezovanje z mikrokrmilniki, kot so Arduino, ESP32 in Raspberry Pi, ne da bi potrebovali vezje gonilnika vrat.

Pogosto uporabljeni MOSFET-i na logični ravni vključujejo:

• IRLZ44N – primerna za preklapljanje obremenitev velike moči, kot so enosmerni motorji, releji in LED trakovi.

• AO3400 – kompaktni SMD MOSFET, primeren za digitalne stikalne aplikacije z nizko porabo.

• IRLZ34N – uporablja se za srednje do visoke tokovne obremenitve v robotiki in avtomatizaciji.

Preklapljanje na nizki in visoki strani

Preklapljanje na nizki strani

Pri preklapljanju na nizki strani je tranzistor nameščen med obremenitvijo in zemljo. Ko je tranzistor vklopljen, zaključi pot do tal in omogoči tok skozi obremenitev. Ta metoda je preprosta in enostavna za uporabo, zato je pogosta v digitalnih vezjih in vezjih, ki temeljijo na mikrokrmilnikih. Preklapljanje na nizki strani se izvaja z uporabo tranzistorjev NPN ali N-kanalnih MOSFET-ov, ker jih je enostavno voziti s krmilnim signalom, ki se nanaša na zemljo. Ta metoda se uporablja za naloge, kot so preklapljanje LED, releji in majhni motorji.

Preklapljanje na visoki strani

Pri preklapljanju na visoki strani je tranzistor nameščen med napajalnikom in obremenitvijo. Ko se tranzistor vklopi, poveže obremenitev s pozitivno napetostjo. Ta metoda se uporablja, kadar mora obremenitev ostati priključena na zemljo zaradi varnostnih razlogov ali referenčnih razlogov signala. Preklapljanje na visoki strani se izvaja z uporabo tranzistorjev PNP ali P-kanalnih MOSFET-ov. Vendar pa je nekoliko težje nadzorovati, ker mora biti podnožje ali vrata pogonjena na nižjo napetost kot napajanje, da ga vklopite. Preklapljanje na visoki strani se običajno uporablja v avtomobilskih vezjih, sistemih na baterije in aplikacijah za nadzor moči.

Zaščita pred induktivnim preklapljanjem obremenitve

Ko se tranzistor uporablja za nadzor induktivnih obremenitev, kot so motorji, releji, solenoidi ali tuljave, potrebuje zaščito pred napetostnimi konicami. Te obremenitve kopičijo energijo v magnetnem polju, medtem ko tok teče skozi njih. V trenutku, ko se tranzistor izklopi, se magnetno polje zruši in sprosti to energijo kot nenaden visokonapetostni konik. Brez zaščite lahko ta konica poškoduje tranzistor in vpliva na celotno vezje.

Da bi to preprečili, se zaščitne komponente dodajo čez obremenitev. Najpogostejša je povratna dioda, kot je 1N4007, povezana v obratni smeri čez tuljavo. Ta dioda daje toku varno pot do toka, ko se tranzistor izklopi in ustavi napetostno konico. V vezjih, kjer je treba nadzorovati električni hrup, se za zmanjšanje ostrih impulzov uporablja RC dušilnik (zaporedni upor in kondenzator). Za vezja, ki se ukvarjajo z višjimi napetostmi, se uporablja TVS (Transient Voltage Suppression) dioda za omejevanje nevarnih konic in zaščito elektronskih delov.

Vmesnik mikrokrmilnika s preklapljanjem tranzistorjev

Mikrokontrolerji, kot so Arduino, ESP32 in STM32, lahko zagotovijo le majhen izhodni tok iz svojih GPIO zatičev. Ta tok je omejen na približno 20–40 mA, kar ni dovolj za napajanje naprav, kot so motorji, releji, solenoidi ali LED diode visoke moči. Za nadzor teh višjih tokovnih obremenitev se med mikrokrmilnikom in obremenitvijo uporablja tranzistor. Tranzistor deluje kot elektronsko stikalo, ki omogoča, da majhen signal iz mikrokrmilnika nadzoruje večji tok iz zunanjega vira napajanja.

Pri izbiri tranzistorja se prepričajte, da se lahko popolnoma vklopi z izhodno napetostjo mikrokrmilnika. MOSFET-i na logični ravni so dobra izbira za večje obremenitve, ker imajo nizko odpornost na vklop in ostanejo hladni med delovanjem. BJT, kot je 2N2222, so v redu za manjše obremenitve.

Zaključek 

Tranzistorji so zanesljiva elektronska stikala, ki se uporabljajo za krmiljenje LED, relejev, motorjev in napajalnih vezij. Z uporabo pravilne baze ali vratnega upora, dodajanjem zaščite pred povratnim letom za induktivne obremenitve in izbiro pravega načina preklapljanja postanejo vezja varna in učinkovita. Razumevanje preklapljanja tranzistorjev pomaga oblikovati stabilne elektronske sisteme z ustreznim nadzorom in zaščito.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

Zakaj izbrati MOSFET namesto BJT za preklapljanje?

MOSFET preklopi hitreje, ima manjšo izgubo moči in ne potrebuje neprekinjenega toka vrat.

Kaj povzroča pregrevanje tranzistorja v stikalnih vezjih?

Toplota nastane zaradi izgube moči med preklopom, izračunane kot P = V × I, če tranzistor ni popolnoma vklopljen.

Kaj je RDS(on) v MOSFET-u?

To je upor ON med odtokom in virom. Nižji RDS (vklopljen) pomeni nižjo toploto in boljšo učinkovitost.

Ali lahko tranzistor preklopi izmenične obremenitve?

Ne neposredno. En tranzistor deluje samo za DC. Za izmenične obremenitve se uporabljajo SCR, TRIAC ali releji.

Zakaj vrata ali podnožje ne bi smeli pustiti plavati?

Plavajoča vrata ali podnožje lahko zajamejo hrup in povzročijo naključno preklapljanje, kar vodi do nestabilnega delovanja.

Kako lahko vrata MOSFET zaščitimo pred visoko napetostjo?

Uporabite zenerjevo diodo med vrati in virom, da pritrdite dodatno napetost in preprečite poškodbe vrat.